光整技术论文

2024-11-05

光整技术论文（共7篇）

光整技术论文篇1

0 引言

在模具制造过程中,为了消除模具表面所残留的机械加工痕迹,光整加工技术成为必要的工艺环节。现有方法一般需借助工具接触或靠近待加工表面进行加工。但是,模具的结构化表面(特指沟、槽、孔、棱柱、棱锥、窄缝等异型表面),特别是尺寸微小或形状复杂的结构化表面,则难以使工具与之接触从而进行光整加工。

松散磨粒与流体混合,可构成液-固两相磨粒流,通过磨粒流与加工表面接触时的壁面效应,形成磨粒对表面的微切削,从而可以实现表面光整加工,而磨粒流的流体特性则使之可以方便地与复杂型面形成良好仿形接触,因此,其在异型面加工中体现出了明显的技术优势。

基于磨粒流形成了一系列表面光整加工方法,例如挤压珩磨[1,2,3,4]、磨粒水射流抛光[5]、磁流变抛光[6,7,8],磁射流抛光[9]、电流变液抛光[10]等。挤压珩磨和磨粒水射流抛光属于“硬性”磨粒流强力加工,这类方法需要对磨粒流施加强大的挤压力或喷射动力,使工件表面受到磨粒的强力刮削或冲击碰撞,虽加工效率高,但在磨粒强力作用下,不能获得良好的表面粗糙度,在表面会留下具有明显方向性的加工痕迹,因此,它们只能用作表面的粗抛加工。磁流变抛光、磁射流抛光和电流变液抛光则仍须借助工具进行,受工具尺寸限制尚无法用于结构化表面微小尺寸的沟、槽、狭缝加工。

为解决模具结构化表面精密光整加工问题,笔者提出了一种基于SAF的模具结构化表面无工具精密加工新方法。该方法借鉴磨粒流加工的技术优势,实现结构化表面微小尺寸的沟、槽、狭缝加工的无工具化光整加工。本研究将介绍模具结构化表面SAF(Soft Abrasive Flow, SAF)精密光整技术的原理及其研究现状。

1 模具结构化表面SAF加工技术原理

所谓SAF是一种液-固两相磨粒流,具有弱粘性或无粘性,流动特性良好,易于实现湍流流动。借鉴磨粒流光整加工高仿形性的优点,并考虑到各种磨粒流加工技术的优势与不足,笔者及其研究团队提出了针对模具结构化表面的SAF精密光整技术[11,12]。

基于SAF实现模具结构化表面无工具精密光整加工的技术原理是:① 通过在被加工的结构化表面配置约束模块,约束模块与被加工表面组合构成磨粒流约束流道,被加工表面成为流道壁面的一部分;② 在约束流道内,通入高速湍流流动的SAF以替代加工工具实现对流道内壁,包括被加工表面的光整加工;③ SAF在湍流状态实现加工,不是通过射流的形式强力冲击被加工表面,而是利用磨粒的微力微量切削的频繁作用实现表面的逐步光整,湍流流场中的磨粒运动的随机性可使得加工表面纹理无序化,从而可以不通过加工工具的接触而实现对结构化表面的镜面级光整加工。传统工具光整方法与SAF加工技术的对比如图1所示。

SAF加工技术的特点是:①磨粒流可与复杂形状的模具结构化表面形成良好接触,克服了细小尺度的结构化表面无法使用工具进行光整加工的困难;②加工过程可自动化进行;③利用湍流壁面效应实现微力微量切削,结构化表面无加工变形,可用于薄壁件加工;④利用磨粒在封闭流道内循环流动反复碰撞被加工表面,可提高磨粒利用率和加工效率,并可通过过滤加工残留并减少排放实现清洁加工,节约能源。

2 SAF加工技术理论模型研究

不同的流道截面与内表面形态将直接影响流过流道流体的流动状态,因此必须合理设计约束模块的形状,使之与被加工表面组合构成的磨粒流约束流道的截面形状和流道内表面形态,便于SAF在其中形成特定的湍流状态,从而得到对加工壁面的良好加工效果。另外,SAF的湍流形态还与其自身的流体力学特性以及流动参数密切相关,而湍流形态决定了SAF光整加工的效率和质量。因此,建立SAF流动特性分析的理论模型和分析手段,对SAF的湍流形态分析和研究SAF加工机理和加工工艺参数设计具有重要的意义。笔者从以下若干方面对SAF的理论模型与分析方法进行了研究。

2.1基于DPM的SAF颗粒运动分析

首先,笔者引入离散相模型(Discrete Phase Model, DPM)对SAF进行分析[13]。在离散相的体积分数约为10%～12%的情况下,本研究采用DPM对磨粒相(即磨粒)中的粒子轨道进行计算,得到了约束流道内颗粒相运动的仿真结果,并在单颗粒情况下模拟了颗粒的运动轨迹和碰撞特征。

在分析中,鉴于磨粒流为不可压缩流体,本研究采用了欧拉(Euler)多相流模型方程和欧拉颗粒模型。欧拉颗粒模型的优势在于它非常易于在流体相方程中进行执行和求解,而流体相方程的数值计算方法同样可用于颗粒相的求解。在拉格朗日(Lagrange)坐标下通过对粒子力平衡方程求积分,可得到离散相颗粒的运动轨迹。当固-液两相流的密度比大于200,颗粒相的特征尺度小于科尔莫夫(Kolmogorov)尺度时,颗粒的动量方程可进行简化,忽略除了重力与曳力以外的其它力,例如巴塞特力、虚拟质量力、马格努斯力、萨夫曼力(Saffman)和浮力等。通过随机轨道模型,可以模拟湍流扰动导致的颗粒运动分布。

由于线性底层中的磨粒运动是SAF加工的最主要运动,在加密网格的同时对壁面采用双层模型方法进行处理,采用Kader提出的壁面函数模拟湍流线性底层的运行情况,对工作磨粒的运动情况和运动轨迹进行评测。

本研究通过DPM模型对SAF进行分析,得到以下结论:① 磨粒流对流道壁面的微切削,在磨粒流压力影响下表现为主要切削位置的推移,在近壁区,磨粒速度的影响表现为切削效率的增减;②加工过程中磨粒主要处于湍流边界层的线性底层,通过对磨粒轨迹的数值模拟和观测试验,结果表明软性磨粒两相流的精密加工机理主要是磨粒流中磨粒在近壁区沿流向遵循涡轨迹进行的微量切削,磨粒流磨粒在壁面的切削痕迹可以呈现无序形态,因此,基于软性磨粒两相流实现镜面级精密光整加工是可行的(镜面级精密光整加工需要随机型的切削痕迹);③ 给定约束流道入口处磨粒流的速度及其持续流动的时间,可以利用Preston方程来确定速度、压力和去除量之间的定量关系,基于该定量关系可以制订符合加工需求的磨粒流加工工艺,Preston方程的系数经过理论和试验研究可以得到符合实际的数值;④ 磨粒在进入流道后,随着湍流的发展和磨粒的沉降,在经历一段时间之后颗粒相在流道内的流形分布将趋于稳定,但随着湍流雷诺数的增大,趋于稳定则需要更长的时间,稳定的流形分布可以确保流道内的部分局部壁面得到高效的加工,改变约束流道的形状,可以调整具有高效加工效果的局部壁面的分布位置,因此,时序化地更换约束流道,可以实现全流道范围内待加工壁面的均匀化加工;⑤磨粒压力对磨粒产生的切削作用具有重要影响,在湍流状态下磨粒压力的变化规律是复杂的,受到颗粒相体积分数、微粒传导率、流道内切向位置、壁面处的颗粒相分布状态等因素的影响,确保流道壁面处的颗粒相分布和湍流发展处于基本稳定状态,则可以保证磨粒压力分布更为均衡,加工效果也更好。

2.2基于LSM的SAF流场特性分析

磨粒两相流在流动过程中没有化学反应,物理性质稳定,因此,笔者采用了水平集方法(Level Set Method, LSM),分析SAF速度矢量分布及其发展趋势,实现对相界面运动过程的模拟[14]。上述方法的基本思想是:将界面看成高一维空间中某一函数(称为水平集函数)的零水平集,且将界面的速度也扩充到高维的水平集函数上,得到水平集函数所满足的拓扑方程,通过求解方程,推导水平集函数,计算至规定时刻,找出此新时刻水平集函数的零水平集,得到界面的形状。界面的法向方向、曲率等由水平集函数的偏导数进行计算。

笔者对SAF进行了界面定义,定义Φ=0为瞬态预混合两相流界面的位置,可将整个流场划分为2个区域,其中Φ>0为磨粒流区,Φ<0为流体区。通过建立边界水平集和颗粒运动守恒方程,并采用高阶TVD Runge-Kutta法对方程进行离散和求解。基于SIMPLEC算法求解离散后的差分方程组,计算出速度场和压力场,其离散化步骤包括为:① 空间离散化;② 通过投影,使得有散度的速度场变为无散度的速度场;③时间离散化;④ 对边界水平集函数进行初始化重构,从而提高求解的精确度。

由于流道的几何特征和初始条件等因素,速度、压力在流道中的分布呈现位置和时间上的相应变化,在单一的入口流速时,流道内壁面必然发生加工不均匀状况,因此通过对流速和流道内壁面区扰流的控制是实现流道全程均匀加工的必要措施。基于水平集方法的分析结果表明,当磨粒流以一定的速度流向另一流体区的过程中,流道的速度分布将发生相应的变化。流体在静止平壁上的流动,由于粘性作用,磨粒流速度在壁面上存在最小值,上端部分相对下端的速度较大,随着磨粒流流动长度的增加,上下两端的速度差逐渐变小。流体通过流道后速度分布不再均匀,存在一定的速度差,同时由于流道的几何特点,存在一定的流体流量变化,即流体的流通面积的变化(由于流道宽度变小,形成两流量之差,粘滞作用导致流量损失,而此为排挤厚度的含义)。

磨粒流在流动过程中,压力和湍动能则经历了各自的不同变化。由于受流道几何特点的影响,在流道的中形成了压力局部最大值区域,由于流道拐角的影响,湍动能随时间变化在壁面的分布,随着时间的推移,压力总体分布呈现先逐渐增加,后略有下降的变化过程。

速度越大的区域,磨粒流对壁面的碰撞频率也越大,加工效率也随之提高,压力越大,光整力度也更大,在约束模块和加工工艺设计时需考虑单一流速作用下,流道壁面的切削情况的不均衡性。

2.3基于SOM的SAF湍动特性分析

鉴于颗粒相体积浓度和颗粒相压力关系密切,在SAF分析中,笔者从考虑颗粒相体积浓度对颗粒相压力的影响出发,提出使用二阶矩(Second-order Moment, SOM)湍流模型下考虑浓度修正值影响的两相湍流流动的算法[15]。该算法既考虑了浓度修正的影响,又将SIMPLEC算法中速度修正值和压力修正值的关系式融合在内,具有一定的优越性。

上述算法主要步骤包括:①给定两相速度、两相雷诺应力、两相脉动关联应力、两相湍动能耗散率、颗粒相温度、颗粒体积浓度及流体压力分布的初始值和颗粒相压力;②由颗粒相连续方程计算颗粒相体积浓度,然后由体积浓度总守恒方程计算流体相体积浓度;③ 根据两相压力场,计算两相动量方程,得出两相速度场;④计算两相压力修正方程,得出两相压力修正值;⑤由两相压力修正值修正两相的速度场,由颗粒相压力修正值修正体积浓度场;⑥计算两相雷诺应力方程、两相脉动速度关联方程、两相湍动能耗散率方程及颗粒相拟温度方程,求出流体相和颗粒相的湍流扩散系数以及动力粘性系数,再次由颗粒相压力和颗粒相体积浓度的关系式计算颗粒相体积浓度;⑦返回步骤②,重复以上过程直至收敛。

基于以上算法分析,可以得到在流道中SAF的湍动能的变化,较充分描述颗粒的脉动情况,可以反映出颗粒和壁面发生碰撞以及在狭长的水平通道当中颗粒载荷比较高时,颗粒与颗粒之间的频繁碰撞造成颗粒雷诺应力在各个方向上的重新分配和耗散情况。磨粒流流态发展中液相粘度的影响相对比较少,主要受到颗粒与颗粒之间的碰撞对颗粒雷诺应力的影响。

2.4基于VOF模型的SAF组份分析

流体体积模型(Volume of Fluid, VOF)方法适用于两种或多种互不穿透流体间界面的跟踪计算。模型对每一相引入体积分数变量,通过求解每一控制单元内体积分数值确定相间界面。笔者基于该方法,对磨粒流分散发展过程中的体积组份进行跟踪,从而确定磨粒流有效加工位置及其变化发展规律[16]。

VOF模型的控制方程由流体函数的输运方程和流体运动控制方程一起构成。本研究通过求解一相或多相的体积分数的连续方程来跟踪相与相之间的界面的变化。由于SAF采用湍流状态进行加工,采用标准k-ε模型,只需求解一套输运方程,湍流变量被通过整个区域的各相所共享。由于磨粒的颗粒足够的细,假设为连续的流体相,若流体采用机油,则将机油考虑为第一相,碳化硅磨粒(SiC)为第二相,求解方程组时,碳化硅相的体积分数为10%和其他物理参数一起参与迭代求解。

2.5仿真分析结果

如图2所示,由约束模块与被加工表面构成了U型流道,流道总长为50 mm。

本研究采用非结构化的六面体网格进行网格划分,网格总数约为80 000。边界条件选用速度入口、自由出口。流体相密度和粘度分别为880 kg/m3、46×10-6 m2/s。颗粒相选用SiC,密度和动力粘度分别为3 170 kg/m3、2.064×10-6 m2/s,平均粒径为55 μm。颗粒相体积分数为0.1。本研究在流道入口处布置垂直于入口截面入射的稀疏粒子流。

基于DPM方法,本研究对SAF颗粒的运动进行分析,得到了流道不同位置处颗粒相体积分数分布情况,如图3所示。

基于DPM方法,本研究还得到了不同雷诺数下流道近壁处颗粒相体积分数分布情况和流道近壁处颗粒相湍动能分布情况、恒定雷诺数情况下流道壁面处的颗粒相体积分布等值线和流道壁面处的颗粒相湍动能等值线、不同雷诺数下流道近壁处颗粒压力分布情况、流道不同位置处颗粒压力分布情况以及近壁区磨粒轨迹在yz面上的投影。

VOF方法根据体积比函数来构造和追踪自由面,由于VOF模型在边界区域是不连续的,且在处理复杂的几何问题时也较困难,但当与水平集方法结合后,能较好地解决这个问题。同时,也能很好地减小水平集方法的质量损失。当处于未知边界的位置时,无法使VOF模型转化为可计算区域模型,但利用水平集的方法便可以定位边界和体积模型,从而与VOF模型结合,实现流体模型模拟与计算。本研究以FLUENT-6.3为计算平台,计算区域和网格划分由GAMBIT-2.2.30前处理器生成,对特定流道进行了分析。

流道为方形截面弯道,平均半径9 mm,方形截面边长4 mm,弯道前直弯段9 mm,弯道段长30 mm,如图4所示。设定流体相流动已充分发展为湍流,采用速度进口,自由出流出口;磨粒相给定与流体相同的初始速度,采用速度进口,自由出流出口。

通过水平集方法与VOF方法结合分析,本研究得到了整个弯道磨粒流的速度矢量分布、不同角度速度矢量变化情况,整个弯道中磨粒流的压力分布和X-Y平面的压力矢量图、X-Y截面处内(外)径的压力变化。

磨粒流通过弯道时速度分布如图5所示,本研究根据角度的变化选取不同截面处的速度矢量分布如图6所示。

基于VOF模型,本研究对磨粒流分散发展过程中的体积组份进行跟踪。另外选择了“之”字形流道为例,假设SAF为不可压缩流体,为避免使用六面体结构网格时出现网格形状扭曲,甚至产生负单元体积,在计算时容易产生奇异解,特别是对于流道拐弯处变形较大,故这里采用了四面体的网格,既能反映整个流道的流场特征,又能减少划分的网格数量,减少计算内存和提高计算速度,如图7所示。

在计算过程中本研究采用了自适应的方法来完善计算结果的精度,采用了前处理器GAMBIT来生成网格和计算区域。由于“之”字形流道结构分布不均匀,分段划分流道的网格同时采用边界层网格技术,使网格更接近实际模型。

不同流道直径情况下SAF的第一相在壁面处的体积分数的对比分析如图8、图9所示,可以看出随着流道直径的增大,该相在壁面处的分布也随之变得稀释,在同一流道内,变形较大处突变比较大,该相的体积分数在不同位置分布基本趋于均匀,有利于模具结构化表面取得较一致的形状精度。由于SAF加工的实质就是近壁区的磨粒与模具结构化表面相互碰撞和摩擦,靠近壁面的磨粒浓度大,则单位面积内参与作用的有效磨粒数量多,越有利于提高加工效率。

3 SAFM精密加工机理与实现

3.1约束模块结构及表面

为了能有效光整加工结构化表面,磨粒流应在一定湍流状态下通过结构化表面,因此,需利用约束模块与结构化表面构成封闭的流道,特别是设计约束模块的特定结构形态,使之确保流道内软性磨粒两相流的流动状态符合加工要求。

清华大学郝鹏飞等[17]人对内壁存在分布粗糙单元的直线矩形截面流道中流阻、湍流及其转捩过程进行实验与分析,其结果表明,层流状态下3%～7%的相对粗糙度可导致微管道内流动阻力明显增加,粗糙单元会引起微管道内流动失稳,导致层流提前向湍流转捩。因此,通过约束模块的表面粗糙度设计,可以调控SAF的湍流转捩以及湍流形态,从而影响流道截面中有待加工部分的加工效果。

MYUNG G L等人[18]对流道内存在内外直角的变矩形截面微流道涡流场进行了实验分析,结论表明流道沿程截面积的急剧变化,可使流场中外直角分离涡与二次流涡充分联合,形成对流场中介质的显著混合作用。因此,通过约束模块设计流道截面的变化,可以调控局部湍流涡动状态,从而调控流道有待加工局部的加工效果。

由于流体沿程压力损失以及流体在前进过程中所受到的物理阻碍差异,单一形状的约束模块所构成的磨粒流流道,一般情况下难以形成对整个加工区的均匀加工。因此,笔者将约束模块设计成为形态可变的多组模块,通过对流道不同局部截面和表面的调整,以改善各局部区域的加工效率和加工效果。

3.2SAF在近壁区域流场特性

笔者基于DPM模型分析了不同粘度工作介质在通过矩形流道时其近壁区域的湍流特征,对不同直径磨粒在不同粘度液相中的运动轨迹进行了模拟和比较。其结果显示流体粘度和速度越大,壁面压力和剪切应力越强,有助于去除工件表面材料;但更大的粘度将导致磨粒速度衰减,且直径较小的磨料粒子的速度衰减较弱,可保持更长的颗粒流动距离[19]。笔者的课题组通过U形截面约束流道内的SAF动力学模型,得到了SAF在流道中运动轨迹的变化规律,湍流参数曲线以及压力分布,并以此为参考,基于尼古拉斯(Nikuradse)实验对SAF近壁区的动力学特性进行分析,通过不同入口流速的对比仿真实验,得到流道近壁区的压力分布变化,从近壁面动力学特性的角度确定采用SAF对细微尺度结构化表面加工时的最佳加工区域,优化流体加工效率。

课题组的袁巧玲等人[20,21]引入低雷诺数k-ε湍流模型,对强曲率弯曲流道和U型流道近壁面处的流场进行了数值分析,并进一步分析了磨粒场的运动方式,结果显示磨粒的微切割作用主要发生在切削位置受到颗粒压力影响而发生改变,以及受近壁处磨粒速度控制的切削效率发生变化的情形下。结果表明,可以通过控制介质入口速度以及加工时长来控制抛光效果。

西安交通大学王昊利等人[22]采用摄动分析方法研究了微尺度条件下壁面粗糙度对流场的影响,研究结果表明,壁面相对粗糙度和粗糙元间距是影响微尺度流场结构的主要因素,由于壁面粗糙元的存在,流场近壁区出现明显涡结构。

清华大学崔桂香等人[23]研究了圆管湍流的近壁活动,发现圆管湍流近壁流动结构和直壁湍流的相干结构相似,如条带、流向涡和外抛等,但在定量特性上两者略有差别,圆管湍流的平均条带宽度较大,猝发周期较长。近壁区域是大部分近壁湍流的发源区,近壁湍流中存在低速条带,这种条带形成后出现抖动,随即破碎、最后导致低速流体向外层的喷射以及继之而来的外层高速流体的下扫,该过程称为猝发,它对湍流发生起主要作用。

3.3SAF的材料去除特性

笔者基于Preston方程及其修正系数的分析研究,得到了适用于SAF的材料去除经验公式。Preston常数kp是一个包含了诸多因素的复杂算式集合,可以将这些因素分成两个部分:

(1) 磨粒与壁面作用时的参数。理论上,这些参数可认为是一个单独变量的函数,为方便计算,将被加工区域近似缩小至一点,即可认为磨粒与壁面的作用参数为常数。其中对磨削效果影响最大的是颗粒与壁面撞击时的入射角度,所以将入射角引入Preston方程的修正系数中。颗粒以90°和0°为入射角对加工表面进行撞击时的加工效果最差,因此Preston系数K1可表示为:

K1=f(α) (1)

式中:f(α)—颗粒与壁面碰撞角α的函数。

(2) 客观不变的参数。磨粒的规格尺寸(包括磨粒的大小、硬度等)和被加工工件的规格(工件的硬度等)。基于拉宾诺维奇(Rabinoweizc)对于磨损模型的研究,可认为当磨粒硬度远大于被加工表面硬度时,此时加工表面为软性表面,磨粒对工件的磨削效果较好;而当磨粒硬度小于加工表面时,磨削同样会发生,但是磨削效果较差,极端条件下会出现磨粒反被工件磨损的情况。引入硬度比Kz,Kz为磨粒硬度Hp与被加工工件硬度Hface的比值:

$Κ_{z} = \frac{Η_{p}}{Η_{f a c e}} (2)$

对于式(2)所描述的硬度比,当Kz<0.8时,即认为加工表面为软性表面,此时Kz=C,C为常数;当1.25<Kz<0.8时,此时Kz正比于△z;当Kz>1.25时,此时磨削效果较差。

因此,Preston方程的系数K2可表示为:

$Κ_{2} = Κ_{z} D (d_{p}) = \frac{D (d_{p}) Η_{p}}{Η_{f a c e}} (3)$

式中:D(dp)—颗粒直径函数,Hp—颗粒硬度,Hface—工件表面硬度。

综上所述,将上述系数合并后,得到修正后的Preston常数kp ′为:

kp ′ = K1 ×K2 (4)

修正后的Preston方程可以计算固-液两相SAF的加工去除率。

3.3SAF的配比

低粘度SAF的配制,选择了切削液、分散剂和水的混合液作为液相流体,选取不同成分的配比配制SAF。经过颗粒悬浮持久度试验对比,选择RX-1系列切削液和HT-5000系列分散剂,组份配比试验如下:

(1)50 ml水+150 ml分散剂;

(2)50 ml切削液+150 ml分散剂;

(3)150 ml水+50 ml分散剂;

(4)100 ml切削液+100 ml分散剂;

(5)50 ml切削液+150 ml水+50 ml分散剂;

(6)150 ml分散剂。

在以上配制流体中添加SiC颗粒,使其体积分数达到10%,SiC颗粒直径为2000目左右(6.5 μm),构成SAF。

6种不同成份的磨粒流在混合初期,SiC颗粒能够均匀分布在流体中,0.5 h后,有较多分散剂(150 ml分散剂)的流体中SiC颗粒能够基本分散在流体内,而较低含量的分散剂溶液中,固体颗粒绝大部分已经沉淀。分散剂本身的粘度较大,但其粘度可通过水稀释进行调节,分散剂含量越高,使SiC颗粒带同种电荷的电量越大,同时磨粒流溶液粘度越大,颗粒在磨粒流溶液中悬浮时间越长。分散剂含量在50%以上,具有较好的分散效果,含量低的时候磨粒沉淀速度很快。为了使磨粒流能够达到较高的雷诺数,需要控制分散剂在磨粒流溶液中的比例(50%左右),分散剂与水比例应为1:1进行混合调配,才能使磨粒流的中颗粒的悬浮和雷诺数达到理想的效果。切削液的粘度和水相近,可以替代水配制磨粒流,以避免工件发生锈蚀。

3.4SAF的光整加工工艺试验

基于前期研究成果,在相关支撑项目的资助下,笔者建立了面向模具结构化表面精密光整加工的SAF加工实验台,如图10所示。该实验台采用液压隔膜式计量泵输送SAF,隔膜泵的额定流量为240 L/h,额定工作压力为10 MPa,配置了内循环压力平衡系统,液压腔体采用密封和耐高压结构,可在高、中、低压的工况和零泄露状态下连续稳定可靠运行。

实验台配置了可重构型的模块化流场约束模块的装夹定位系统,可以更换各种模具结构化表面的试样,更换并夹持各种构型和不同表面特性的约束模块和不同物性的磨粒流,配置了仅对模具的局部进行加工的流道封堵和局部密封系统,设置了显微视频系统以便观察记录磨粒流流动情况,并进行图像分析。

3.5SAF精密加工实验

为观察颗粒对壁面的微切削效应,本研究设计了基于KEYENCE-VW-6 000动态分析三维显示系统的实验观察装置。在结构化表面粘贴金属薄膜,加工时颗粒撞击会在金属薄膜上够留切削痕迹,磨粒中混合部分彩色示踪颗粒,可用KEYENCE-VW-6000动态拍摄磨粒运动过程。本研究用200目的筛网筛选颗粒的直径为74 μm,与配置的弱粘性流体混合后,将磨粒流泵入封闭流道,实验过程持续10 h。获得了颗粒与壁面碰撞、颗粒之间碰撞后颗粒呈一定角度反射后的运动序列图像,观察到在湍流形态的SAF的作用下颗粒呈漩涡状的轨迹进行运动。

加工前金属薄膜的表面,由于在运输及撕膜的过程中,留下了明显的凹凸不平,并且带有纹理的表面,如图11所示。10 h后观察金属薄膜表面的微切削情况如图12所示。对比两张图,可以发现以下两点:①原来凹凸不平带有纹理的表面变得很平整;②金属薄膜表面有明显的颗粒撞击留下的痕迹。

由于颗粒随流体在湍流的状态下运动,颗粒有可能从各个方向撞向表面,所以原来带有纹理表面消失了。颗粒撞向金属表面的力是微利微量的,它可以是金属表面变得更加光整,进一步它不会造成被撞击表面的塑性变形,不会破坏被撞击表面的材料属性。

本研究对材料为45#钢的工件进行试验,流体压力3 MPa工况条件进行加工,进行50 h加工实验,工件表面粗糙度得到有效改善,由Ra 0.566 μm 降低到Ra 0.271 μm,如图13和图14所示。

本研究采用正交试验的方法对表面粗糙度Ra的经验公式进行了研究。基于Preston方程,可知影响表面粗糙度的因素包括流体压力峰值P、抛光时间T、流量qv等参数,Ra的经验公式可以表达为:

$R_{a} = k Ρ^{α_{1}} Τ^{α_{2}} (q v)^{α_{3}} (5)$

式中:α1、α2、α3—经验常数。

若工件材料设定为45#钢,通过正交试验得到的Ra的经验公式为:

$\begin{array}{l} R_{a} = (3.489 \times 10^{4}) Ρ^{- 1 720} Τ^{- 1.131} q v^{- 1.248} = \\ \frac{3.489 \times 10^{4}}{Ρ^{- 1 720} Τ^{- 1.131} q v^{- 1.248}} (6) \end{array}$

4 结束语

基于SAF的模具表面无工具化精密加工新原理,本研究通过一定手段实现SAF在被加工结构化表面的湍流流动,借助湍流中磨粒对壁面的微力微量切削实现结构化表面的无工具化精密加工,为解决模具结构化表面难以采用工具接触加工方法实现精密光整加工的技术难题,提供了一种可行的解决方案。

本研究给出的基于离散相模型、水平集方法、统一二阶矩方法以及流体体积模型等方法,为SAF磨粒流的加工机理和加工过程研究提供了理论工具和分析手段,这些方法在磨粒流磨粒相浓度较低时具有较好的准确性,有待进一步深入研究的问题是在较高磨粒浓度情况下,如何较准确地分析计算磨粒流湍流流态。

本研究通过理论与试验分析,基于Preston方程,通过修正系数方法,得到了描述SAF加工的材料去除效果的定量化数学模型以及工艺参数与表面粗糙度关系的经验公式,为工艺路线和工艺参数设计提供了指导依据。

光整技术论文篇2

1 电化学机械复合光整加工

1.1 电化学机械复合光整加工的原理

电化学机械复合光整加工是电化学加工与机械刮削作用组合而成的复合加工形式,加工的基本原理是以电化学阳极溶解为基础,利用磨具(磨料)的机械作用刮除工件表面钝化膜,其难点在于两种作用的相互匹配。电化学机械复合光整加工的加工原理如图1[1,2]所示,加工过程中,被加工工件作为阳极,工具电极作为阴极,电解液循环通过阴阳极之间的间隙,工具电极相对于工件做往复运动。在进行加工时,阴阳极之间有电流通过,在一定的电流参数和合适的电解液成分的条件下,工件阳极的金属表面发生电化学钝化溶解而生成钝化膜,这层钝化膜会对工件表面形成一定的保护作用,阻止电化学作用对金属基体的进一步溶解。在磨具(磨料)的研磨作用下,工件表面微观不平度各高点的钝化膜首先被清除,新鲜的金属表面重新露出并进一步溶解,同时产生新的钝化膜,而微观表面的低点部位的金属基体由于钝化膜层的持续保护而没有被进一步溶解。每当工件表面形成钝化膜时,磨具的往复机械运动就会将金属微光表面的高点膜层刮去,又持续地被电化学溶解,如此循环往复,使得被加工表面高点不断地被去除,低点被保护,工件表面最终得到光整加工[3,4,5]。

1.2 电化学机械复合光整加工的分类以及特点

随着科学技术的不断发展和制造水平的不断提高,电化学机械复合光整加工技术也得到迅速发展,出现了多种工艺形式,而且还在不断发展中。从工艺方式的角度划分,主要包括电化学磁粒光整加工、磁场电化学磁粒复合光整加工、电化学磨削、电化学研磨、电化学珩磨、电化学砂带磨抛、电化学超精加工、电化学磨料光整加工等[6,7]。

电化学机械复合光整加工工艺具有如下特点:

(1)加工范围广,加工效率高

加工过程不受材料强度、硬度等物理性能限制,适用于各种高强度、高硬度、高热敏性及脆性等金属材料,如硬质合金、高速钢、钛合金、不锈钢、镍基合金和磁钢等;电化学机械复合光整加工方法可以通过整体电极实现各向同时去除,因此可以实现各种复杂表面及通道的光整加工。加工硬质合金时,与普通的金刚石砂轮光整相比,电化学机械复合光整加工效率要高3~5倍。

(2)加工精度高,表面质量好

由于在加工过程中只是电化学钝化膜的生成与去除,所以加工表面不会产生硬化层、变质层,更不会产生残余应力和变形及毛刺等表面缺陷,可以得到比机械磨削更高品质的表面。参数适当,其表面粗糙度(Ra)可小于0.16μm。

(3)磨具的磨损量小

机械磨具或磨料主要用于刮除氧化膜,作用力极小,所以磨损很小,缩短了磨具的修磨时间,同时也延长了磨具的使用寿命。

(4)控制条件好

从理论上来说,通过控制电化学作用的加工参数,就可以实现加工过程的控制,容易实现自动控制。

(5)成本低

要达到同样的工艺水平,与机械加工以及其它加工工艺相比,电化学机械复合光整加工所用设备投资少、加工成本低,与常规的机械光整加工相比,成本一般为50%甚至更低。

1.3 加工过程中的影响因素

电化学机械复合光整加工过程中的影响因素很多,包括电解液的选择、电解液浓度、电解液温度、电流密度、加工电压、磨具粒度和压力等。要获得良好的加工效果,必须选择合理的工艺参数。对于电化学机械复合光整加工,最关键的问题是实现电化学作用与机械作用的合理匹配。因此,需要根据不同的工件形状、材料等选择合理的加工参数。

(1)电解液的影响

电化学机械复合光整加工一般要求采用钝性电解液,具体要根据材料及电解液的活化钝化特性作为选择的主要依据。例如,产生阳极钝化膜的电解液中不能含有活化能力很强的活性离子(如Cl-),一般使用以腐蚀能力较弱的NaNO3、NaNO2等为主的电解液,不同的工件材料所用电解液的成分也不同。

(2)电解液浓度的影响

电解液浓度越大,生产效率越高,但是杂散腐蚀严重,不利于整平,为了强调电解液的钝化特性及非线性,应采用较低的电解液浓度,一般为8%~15%。

(3)电解液温度的影响

电解液温度过低会导致活化性能差,工件表面钝化比较严重,容易引起阳极表面不均匀溶解或形成致密、难去除的“黑膜”;而温度过高又会引起阳极表面的局部过度腐蚀造成表面杂散缺陷,还会因不能生成钝化膜而发生剧烈的机械磨削,从而导致表面烧伤。电解液的温度控制在40~60℃较为合适。

(4)电流密度的影响

电流密度过高,电解作用过强,导致工件表面质量下降;电流密度过低,机械作用过强,也会使工件表面质量下降。电流密度的选择应以电解作用和机械作用的平衡匹配为准,一般为10~30A/cm2。

(5)加工电压的影响

工作电压过低,电解作用减弱,导致表面质量下降。工作电压过高,工件表面不易整平,而且容易引起火花放电导致表面粗糙度恶化。所以应该选择较低的电压,如不锈钢及镍基合金一般选择6~10V,轻金属合金选择16~20V。

(6)磨具粒度和压力的影响

磨具粒度实际上决定了瞬时电解加工作用间隙的大小,所以应根据光整表面精度及粗糙度要求选择较小的粒度。一般加工应选择60#-80#粒度,精密光整或达到珩磨质量时应选择100#-120#粒度。此外,磨削压力也是影响较大的因素。磨削压力大会造成机械作用过强,同时会造成磨具磨损,影响表面质量及工作效率。而磨具的压力过小会造成机械作用过小,导致机械作用与电化学作用不匹配,也会导致擦伤、烧伤等缺陷。一般为磨削压力不大于0.5MPa。

(7)磨削速度的影响

磨削速度会影响电解作用与机械作用的匹配情况。速度过快,电解作用增强,机械作用降低;速度过慢,电解作用降低,机械作用增强。因此应根据加工精度要求选择合适的磨削线速度,一般取10~22mm/s。

2 电化学机械复合光整加工的国内外研究现状

为了促进光整加工技术的应用,国内外开展了大量的科学研究工作,试图提高加工工艺过程的自动化水平[8,9]。

日本在电化学机械复合光整加工方面的研究较为深入。1987年大森整[10]提出了在线导电砂轮修整(ELID)方法,利用磨削液的微弱电解现象对使用微细磨料铸铁纤维结合剂金刚石砂轮进行适度修锐,修锐后的砂轮径向跳动量小于1μm,砂轮表面光滑,形状精度高,磨粒等高性好,适于精密镜面磨削用。前畑英彦等[11,12,13,14]采用电解复合镜面研磨法加工金属表面,并对这种复合光整加工方法的工艺特性、表面特性进行了研究。清宫纮一[15,16,17]研究了电解研磨法镜面加工的原理和工艺特性,并将此种工艺应用到自由曲面的光整加工中。酒井茂纪等[18]应用成对电极法对放电加工面进行脉冲电化学光整加工,并把这一成果应用到电化学机械复合光整加工技术中。

欧美学者重视电化学机械复合光整加工新技术的开发。瑞典学者Fadaie Tehrani.A[19]在电化学机械加工过程中采用脉冲电流代替直流电流,脉冲电流中的脉宽、脉间的不同组合可使机械去除和电化学去除之间的比例大范围可调,因而给过程控制和参数的优化带来了很大的便利。美国学者Sun J.J [20]针对模具中镍基合金、钛合金等材料存在的难以光整加工的问题,开发了正反向电场相结合的脉冲电化学机械复合光整加工技术,提高了模具钢的光整加工表面质量。Tiley.J等[21]利用新型的低应力电化学机械复合光整加工设备,采用脉冲电化学反应同时配合机械振动去除钝化膜,对钛合金以及镍基合金的扫描电子显微镜试样进行了光整加工,获得了良好的加工表面。Seo Yong-Jin[22]研究了不同浓度的硝酸电解液中电化学机械复合光整加工铜材料的电化学反应的极化电压,同时通过电流-电压曲线评估了铜材料的电化学特性。Gao F等[23]研究了钛合金电化学机械复合光整加工的材料去除机理,分析表明加工材料表面的氧化层厚度与材料表面施加的机械力有关,同时也与材料表面的摩擦力和转速有关。

自20世纪80年代初期开始,电化学机械复合光整加工技术在我国得到了较为迅速的发展。国内学者针对电化学机械复合光整加工技术的研究主要集中在各大高等院校以及研究所,其中以大连理工大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、北京航空制造工程研究所为代表的高等院校和研究所取得了一定的成果。

大连理工大学的周锦进等[24,25,26,27]对电化学机械复合光整加工工艺进行了深入的研究,并取得了一定的成绩。李邦忠等[24]针对大面积薄板进行了电化学机械复合光整加工技术的试验研究,并得到了实际的应用。周锦进等[25]针对目前模具光整加工中难以实现的高精度、高效率加工的实际问题,提出了一种新型的电化学机械复合光整加工模式——电化学超精密研磨技术[26],结合电化学机械复合光整加工的特点,试验分析了电化学机械复合光整加工主要工艺参数对碳钢管内孔光整效果的影响,实现了碳钢管内表面的光整,粗糙度在0.2μm以内[27]。

山东理工大学的李志永[28]针对45钢工件光整加工前后的表面轮廓不平度的高度特性、间距特性和波纹特性等进行了研究,结果表明电化学机械复合光整加工能显著降低工件的表面粗糙度,改善工件表面的质量和微光特性。张海云等[29]针对杆类零件表面的电化学机械复合光整加工进行了研究,开发了数控电化学机械复合光整加工机床以及复合光整加工工具头,实现了光整加工自动化。

南京农业大学的尹其林等[30]对2344模具钢的脉冲电化学机械复合光整加工进行了试验研究,分析了脉冲峰值电压、脉冲频率、脉冲占空比和电解液温度对光整加工质量的影响。哈尔滨工业大学的徐宁[31]利用自行研制的电化学机械复合光整加工设备,对45号碳素结构钢的轴类件进行了电化学机械复合光整加工工艺试验,并对加工后的工件表面特性进行了研究。大连工业大学的庞桂兵等[32]针对模具型腔表面,研究了手持式工具电化学机械复合光整加工的工具设计、表面质量和精度特性等关键技术问题,并进行了加工试验验证。刘德成[6]对电化学机械复合孔光整加工进行了研究,设计了电化学机械复合光整加工孔加工的工具头,并通过试验验证了该工艺的加工效果。

南京航空航天大学的杨长盛等[33]将电解研磨复合加工方法运用于孔处理中,对该技术的工艺原理、表面粗糙度的影响因素、加工精度等进行了研究分析,结果表明,该技术能有效去除孔加工后的变质层,降低表面粗糙度值,降低或者消除残余应力,提高表面质量。广东工业大学的柴牧舟[34]研制出一种制作工艺简单、可靠,具有良好磨料粘接强度和良好绝缘性的复合工具,并进行了加工试验效果验证和参数优化。

北京航空制造工程研究所拥有多工位的电化学机械复合光整加工专用设备,自20世纪90年代开始研究电化学机械复合光整加工技术以来,取得了一定的研究成果。针对食品机械不锈钢物料管内壁的光整加工技术进行了研究,利用电化学机械复合光整加工技术成功实现了长5m、内径Φ20~40mm物料管内壁的镜面光整加工,该技术目前已经成功应用于多家民营企业,带来了一定的社会效应和经济效益。他们利用立轴圆台式电解磨加工机床成功解决了导电磨轮的研制、磨轮修整等关键技术,并针对蜂窝封严环结构进行了磨削光整加工,取得了良好的效果。以整体叶盘为代表的复杂型面结构件广泛采用钛合金、镍基合金等难加工材料,由于叶片的扭转角度大、叶片进排气边缘精度要求高,给传统的光整加工技术带来了难题。目前,多采用振动光饰或者经验丰富的技术熟练的老工人进行操作,加工精度及表面品质难以控制、加工效率偏低。北京航空制造工程研究所致力于电化学机械复合光整加工技术的开发和应用,目前针对以整体叶盘为代表的复杂结构件,正在研究开发适合整体叶盘光整加工的相关技术。

3 我国电化学机械复合光整加工存在的问题

我国电化学机械复合光整加工技术的研究在高校中较多,尤其是在电化学机械复合光整加工机理和具体材料结构的对应试验研究方面具有较强的基础,但是与国外相比,在新技术研发和生产应用方面还有一定的差距。一方面,国内对电化学机械复合光整加工技术的研究应用范围较窄,系统性不足,很多研究仅仅是针对某一种材料开展了简单的试验验证, 没有形成系统的理论和完整的数据库,针对光整加工质量与加工过程中各影响因素之间的关系还没有完全掌握,虽然针对近年来出现的一些新材料、新结构提出了一些新的复合形式,但是针对新工艺的开发不足在一定程度上限制了电化学机械复合光整加工技术的应用。另一方面,电化学机械复合光整加工技术在生产中的应用还不普遍,许多研究成果都集中在研究所以及高校,有的甚至还处于实验室阶段,没有真正地转变为实际生产力。大多数企业没有自己或对口的研发部门,至今还在用手工抛光或者机械抛光等传统光整加工方法,甚至许多重要的零部件以及产品的加工没有采用光整加工技术,这在我国的机械设备制造领域占有很大的比例。

4 发展趋势

随着科技的不断发展,现代制造技术的一个重要方向是精密与超精密加工技术、微细和超微细加工技术,对零部件尤其是各种精密部件的表面质量提出了更高的要求。当前,细小孔、窄槽、异型管、特大型容器以及具有复杂型腔内壁等传统工艺难以加工的零件,以及以钛合金、高温合金等难加工金属为基体的复杂结构件的应用,也给传统的光整加工带来了更大的挑战。由于各种传统光整加工方法都存在一定的局限性,任何一种光整加工技术都难以实现对所有结构件的高效光整加工,因此,电化学机械复合光整加工技术以其适应范围广、加工品质高的特点,已成为未来光整加工技术领域的一个重要发展方向。

电化学机械复合光整加工技术设备简单、成本低,吸收了机械光整加工精度可控和电化学加工效率高的优点,成功实现了电化学加工和机械光整加工的复合,能够有效地解决难加工材料的高效光整加工问题。但是,面对不断出现的新材料、新结构,电化学机械复合光整加工技术也存在加工过程精度难于控制以及磨具头柔性的问题。因此,在传统的电化学机械复合光整加工的基础上出现了许多新工艺、新方法,如磁场电化学复合光整加工技术等。

光整在齿轮加工中的应用篇3

航空发动机是飞机的心脏, 其设计及加工质量的好坏对于发动机的性能有着十分重要的影响。齿轮是一种在机械行业中应用量大且广的基础性零件, 其表面质量的好坏对于机械产品的性能有着直接的影响, 齿轮表面的质量和齿轮的修形对于齿轮的使用质量的使用寿命都有着十分重要的影响, 对加工后的齿面进行光整加工, 是提高齿轮使用质量的有效途径, 从而更好地为我国的航空工业发展添砖加瓦。

1 航空发动机整体齿轮光整加工现状

齿轮是机械行业中应用较多的基础性零件, 其加工质量的好坏对于机械性能有着十分重要的影响, 其中齿轮的齿面质量和齿轮修形对齿轮的使用性能有着十分重要的意义, 为提高齿面质量需要对齿面进行光整加工从而提高齿轮质量。在我国航空发动机齿轮的光整加工仍然处于起步阶段, 与国外同行相比存在着较大的差距, 其主要变现为:齿轮的加工精度较低、齿面的粗糙度较高, 从而造成同型齿轮在使用时使用寿命较低、运动时所产生的噪音较高, 齿轮的承载能力较弱。总体来说, 在航空发动机齿轮的制造中, 齿轮制造的质量差距是多方面的, 不但表现在精度上, 齿轮表面质量以及加工工艺等方面都有着一定的差距。

国内外航空发动机整体齿轮表面光整加工现状:航空发动机齿轮表面的光洁度会对齿轮的使用性能造成极大的影响, 较高的齿轮表面粗糙度会使得齿轮的传动能力以及使用寿命都有着一定程度的提高。同时通过对齿轮进行大量的测试与研究表明, 航空发动齿轮主要依靠的是齿面的接触来实现机械力的传递, 在齿轮接触的过程中, 其齿轮表面都是粗糙的表面, 其在进行齿面的接触时都是依靠表面的轮廓尖峰之间先进行接触的, 或者是两个齿面之间进行犬牙交错, 齿与齿之间相互嵌入, 粗糙度较高的齿轮经过一段时间后的使用, 齿面经过长时间的接触将微观表面所产生的微观尖峰折断、压平, 从而使得粗糙的齿面变得平滑, 此时, 齿轮的精度已经发生较大的变化。因此, 在完成对于齿轮的加工后对齿轮进行后续的光整加工来提高齿轮表面的光洁度是十分必要的。齿轮表面的质量不但对精度会产生较大的影响, 同时对于齿轮的使用寿命等也会产生重要的影响。剃齿是我国在齿轮光整加工中采用较多的一种精度加工方法, 但是此种方法多适用于软齿面齿轮的加工, 且加工后齿面积屑瘤现象较为严重, 从而使得加工后的齿面精度较低。磨齿加工根据加工原理的不同可以分为成形磨和展成磨齿, 通过磨齿可以得到较高的加工精度, 但是对于齿面质量无法达到较高的要求。

2 光整加工技术的简介

零件表面的加工质量对于零件的使用性能、使用寿命等都有着极大的影响, 在机械零部件的加工过程中, 影响零部件加工质量的影响因素很多, 为此, 需要使得加工完成的工件表面达到要求的加工质量, 除了选用较为合理的加工方法和工艺参数外, 还可以对零件表面进行光整处理和去毛刺。

对零件表面进行加工的方法众多, 各种加工方法在得到所需要的尺寸和形状的同时也在工件表面形成一定的表面质量, 现今使用的保证零件表面质量的各种方法中, 有些是主要改善零件表面的几何特征, 如减小零件表面的粗糙度和去除毛刺、划痕等, 而有些加工方法则主要是着重改善表面的几何特征和力学性能。在航空发动机的加工过程中, 对于表面处理的要求越来越高, 需要在齿轮表面的光洁度上狠下功夫, 提高发动机的加工质量。

2.1 光整加工的技术含义

在进行零部件的加工过程中, 不论是采用切削还是锻造、冲压、焊接等方式都会在零部件的表面留下各种加工的痕迹以及缺陷, 如表面的凹凸不平、棱边缺陷、毛刺等, 以上这些都会对零部件的使用性能造成极大的影响。而零部件光整技术则主要是为了应对以加工对零件造成的不足, 提高零部件的表面加工质量为主要目的的加工技术。

2.2 光整加工技术的发展趋势

随着科技的进步以及加工精度的发展, 现今的加工制造已经向着精密和超精密、细微和超细微的方向发展, 为提高加工零部件的加工质量多采用以下方法对零部件表面进行光整处理:磁流体研磨、电解磨削、磁粒光整加工以及电化学机械光整加工等技术。同时随着材料技术的发展, 大量的新材料被应用于零部件的制造过程中, 研究和发展新的复合加工技术是提高工件质量的重要手段。从手工研磨、抛光发展到机械对零部件表面进行光整、非传统光整加工到复合光整加工这一发展过程, 光整加工技术正向着更为高效且良好的提高表面的加工质量的方向前进, 航空发动机中的齿轮在发动机中占据着重要的地位, 为解决齿轮表面加工质量所带来的问题需要做好齿轮表面的光整加工, 提高航空发动机的使用性能。

3 光整加工技术在航空发动机齿轮加工中的应用

通过对航空发动机齿轮进行光整加工, 以达到提高齿轮表面的加工质量, 提高航空发动机齿轮的使用性能的目的。现今在发达国家的航空发动机齿轮的光整加工中, 多使用的是磨粒磨削的方法进行齿轮表面的光整加工, 通过去除齿轮表面的毛刺以及光饰加工等。其中磨流根据形式的不同可以分为离心式和旋流式等, 其中旋流式加工被主要应用于轴齿轮和尺寸较大的齿轮, 对于离心式磨粒磨削的加工方式也多适用于大齿轮的加工, 而不适用于小齿轮的光整加工。

磨粒加工技术是上世纪70年代在美国发起起来的技术, 其使用的是一种具有粘性的、柔软性以及切削性的离心式介质在挤压力的作用下形成一个半固态、可流动的挤压状态, 使得离心式介质往复流过工件表面, 从而提高工件表面质量的一种方法。现今, 航空研究单位使用磨粒抛光技术较多, 其主要应用于小孔以及航空发动机齿轮表面光整, 提高工件的表面质量, 去除表面毛刺等。现今在我国的一些航空、航天单位都通过引进离心式加工设备来对工件表面进行加工。

离心式光整加工设备主要是由夹具、床身以及导流、分流装置等组成。其工作流程是磨粒流通过使用传动系统经过夹具上部的导流分流装置进入到整体齿轮由叶片及夹具所形成的叶珊空腔内, 完成磨粒光整加工的磨粒流通过导流装置回到储料箱中, 如此循环往复, 如有需要可以加快物料的循环速度, 提高工件表面的光整效果。

航空发动机齿轮的光整加工是机械加工的最后一道工序, 在提高工件表面加工质量的同时还需要提高其加工效率, 确保发动机制制造能够顺利进行。

4 结束语

航空发动机对于飞机的性能有着非常重要的影响, 其中齿轮是在航空发动机中应用较多的一种零部件, 由于航空发动中使用的是高速、重载的齿轮, 对于齿轮的使用性能和使用寿命有着较高的要求, 通过对齿轮进行光整加工可以有效地提升其性能, 通过对齿轮进行光整加工可以降低其表面的粗糙度, 从而使得使用寿命和使用性能都有着较大的提升。文章对齿轮表面光整加工中所进行的研究进行了分析介绍。

参考文献

[1]高航, 赵振, 等.航空叶轮叶片抛光技术的发展现状[J].中国光整加工技术学术会议, 2010, 2.

[2]姜澄宇.从国外民机重大研究计划看大型民机发展的重大关键技术[J].中国航空学会, 2007, 5.

纳米金刚石用于光整加工篇4

目前研磨常用装有细磨粒、低硬度油石的磨头, 在一定压力下对工件表面进行光整加工。常在油石和工件之间注入光磨液, 或在高速旋转的抛光轮上涂以磨膏 (含有氧化铬、氧化铁等磨料) 。

随着科技和工业的快速发展, 表面粗糙度要求越来越高, 并且要求表面性能越来越好。纳米金刚石的推广应用符合这一潮流。为大幅提高功效, 人们已经越来越多地使用以金刚石为主的高级超硬磨料。近几年来, 我国的超硬材料产业飞速发展, 金刚石的产量已占世界的八成以上。金刚石的粒度分布精度高且价格逐渐降低, 推广应用能给用户带来经济效益。当然, 在对碳化硅、蓝宝石等硬脆晶体材料光整加工时, 只能用高精度金刚石了。从发展前景分析, 金刚石用于光整加工会更加广泛。进一步发展, 若使用纳米金刚石进行光整加工, 可使表面粗糙度达到纳米级。

1 微米金刚石用于光整加工之精密研磨

研磨抛光液发展的总趋势是:提高抛光速率;降低工件的表面粗糙度;有利环保;加工后工件便于清洗, 减少研磨抛光液对工件的污染;降低成本等。

以加工硅片为例, 抛光步骤通常分为粗抛光、细抛光、精抛光和最终抛光, 抛光速率相应由0.8~1.2μm/min逐步降到<0.2μm/min。金刚石研磨液和金刚石抛光液的主要区分在于金刚石微粉的粒度不同, 因而应用范围不同。前者主要由较粗的微粉制作, 用于快速研磨;而后者主要由较细的微粉制作, 用于降低工件表面的粗糙度。抛光液是机械抛光技术中的关键要素, 其性能直接影响抛光后的表面质量。随着精密加工的迅速发展, 近年来金刚石抛光液产品发展很快。与研磨膏相比, 由于它能迅速带走加工过程中所产生的热量及研磨屑, 因而更适宜于大规模工业化生产。金刚石抛光液与硅溶胶相比, 抛光效率能提高几倍, 而表面粗糙度则显著降低, 因此人们常用它抛光多种难加工的硬脆材料, 例如:SiC, Al2O3, Si, SiO2, CaF2, BeF2, Li3AlO3, Li3GaO3, Tb3GaO12, GeO2, Si3N4, ZrO2等多种晶体及硬盘磁头、微晶玻璃等工件。对金刚石抛光液性能的要求是较严格的, 它应具有研磨、抛光、浸润、黏附、润滑、冷却等多种性能。

金刚石的粒度越小工件越硬抛光后工件的粗糙度越小, 但加工效率相应低。表1列出了金刚石研磨抛光液光整加工硬脆晶体和硬质合金的表面粗糙度。由于设备、工艺、环境及操作人员的不同, 使用同样的研磨液也会使Ra值差别较大。为达到所要的Ra值, 表1列出相应的金刚石粒度可供参考。抛光液根据不同的用途亦有油溶性和水溶性之分。油溶性抛光液常用来加工硬质合金、不锈钢、磨具、刃具等较硬的金属。水溶性抛光液大多用于加工非金属硬脆材料, 如各种晶体、宝石、陶瓷、玻璃等。

2 纳米金刚石用于光整加工之超精抛光

2.1 光整加工碳化硅和其它晶体

碳化硅晶体是用途极广的第三代半导体, 晶片的主要应用领域有LED固体照明和高频率器件。该材料具有高的禁带宽度、漂移速度、击穿电压、热导率、耐高温等优良特性, 在高温、高压、高频、大功率、光电、抗辐射、微波性等电子应用领域和航天、军工、核能等极端环境应用有着不可替代的优势。目前已成功制备出3英寸超大宝石级SiC。碳化硅由于其优良的性能而可能取代硅作芯片, 将给电子工业带来颠覆性的变革。

可以说在所有晶体光整加工中, 碳化硅是最难加工的材料之一。它的光整加工只能用金刚石研磨抛光液。某权威单位对我们研制的纳米金刚石研磨抛光液进行测试:型号为PDW-100 1μm的金刚石研磨抛光液用于抛光硬度为9.3的晶体, Ra可以从80nm达到0.91nm, 而所用英国产的抛光机的出厂指标为2.0~3.0nm。图1给出了光整加工后SiC晶片测试结果。型号为PDW的纳米金刚石研磨抛光液pH值呈中性、颗粒分布均匀、悬浊度好、长时间存放基本不产生沉淀, 抛光质量稳定, 抛光效率远高于同类国外进口产品, 抛光时间较国外同类产品降低50%以上。用W0.1 (100nm) 的水基金刚石研磨抛光液抛光碳化硅晶体, Ra可以达到0.1~0.3nm, 可替代国外进口的研磨抛光液。

由于1g纳米金刚石约含有4×1018个微粒, 比表面积可高达400m2/g左右, 因而它的团聚是很难避免的。此外, 表面悬空键非常多, 故其所携带的官能团亦非常多;并且官能团的成分变化很大, 即便是同一单位同一工艺不同批次的产品也是如此。只有经特殊的表面改性使其呈现稳定的超分散状态才能使其特长得到正常发挥。这也是推广应用纳米金刚石的主要瓶颈之一。

纳米金刚石已广泛用于对其它晶体的加工。刘学璋等人采用分散好的纳米金刚石对磁盘微晶玻璃基板进行了抛光, 加工出面型良好Ra为0.618nm的亚纳米级表面[1]。周海用粒径<50μm的金刚石研磨液对蓝宝石进行加工, Ra<0.01μm[2]。工作[3, 4]对纳米金刚石抛光的应用领域做了综述介绍。

2.2 光整加工金属

纳米金刚石不仅对硬脆的晶体材料光整加工效果很好, 而且对某些金属光整加工亦很好。它可对摩擦副进行最精密的抛光, 其光整加工后的工件表面粗糙度大幅降低, 可以说已达到最佳。试验使用MM-200型磨损试验机。上试件:45号钢, 淬火处理, 硬度45~50HRC。下试件:1) 黄铜ZQSn10-1、Ra=1.6μm;2) 45号钢, 淬火处理, 硬度45~50HRC。上试件不动, 下试件以200r/min转动, 摩擦副的平均滑动速度为1047.2mm/s, 两试件接触半角为0.4115弧度, 接触面积为205.75mm2, 在相同的压力 (100~300N) 、相同的摩擦条件下进行对比试验, 均磨3h。图2和图3示出了摩擦表面的电镜照。润滑油中加入纳米金刚石后, 可使摩擦副表面粗糙度大幅降低。从图2可看出, 用不含纳米金刚石的油磨合后与未磨合的原样几近相同。

2.3 光整加工发动机

发动机在出厂前均需磨合———光整加工。如用纳米金刚石磨合油则可提高功效, 改善发动机性能。我们曾在某大修厂对柴油机的磨合保养进行实验。Z12V-190型柴油机, 额定功率882kW。原用CD15W/40机油磨合, 首先加入240L, 平均每磨合一台需消耗10L机油, 磨合5台后必须换油 (太脏) 。改用纳米金刚石磨合油后, 磨合10台以上才换油。使用普通发动机油, 燃油消耗率平均225.25g/kw·h, 磨合加载功率882kw, 磨合时间45分钟。使用纳米金刚石磨合油, 燃油消耗率平均210.72g/kw·h, 磨合加载功率882kw, 磨合时间27分钟。综合效益见表2。经权威单位电镜检测纳米金刚石的粒度为4.8~5.4nm。

使用纳米金刚石发动机油可以达到对发动机边使用边光整加工, 它不仅可使发动机的动力性、经济性和排放性明显改善[5], 而且发动机的粗糙度大幅降低和表面硬度大幅提高。缸套表面硬度由345HV0.1提高到377 HV0.1;轴瓦粗糙度由737.489nm降至529.863nm;进气门摇臂粗糙度由487.143nm降至364.391nm。试验表明摩擦副表面已经形成碳化物, 这导致硬度增加摩擦系数降低。即使用纳米金刚石发动机油可使发动机缸套和活塞环均得到表面改性, 使它们的表面强化;而对缸套、活塞环、轴瓦、进气门摇臂和排气门摇臂的光整加工效果远超出人们的预料。表3列出了使用100h后发动机内部性能改善的具体数据。

张家玺曾测试了专用纳米金刚石磨合油对发动机缸套粗糙度的影响, 并用电镜照片显示了粗糙度的降低[6]。

发动机磨合的最后一步是由用户进行的。浙江省一辆别克2.5新车就是使用了我们研制的纳米金刚石发动机油, 行驶2千多公里需强保换油时, 维修技师检测发动机油非常清净, 决定5千多公里再换。这是因为摩擦副的粗糙度和磨损量均大大降低, 发动机油的使用周期可延长几倍, 故对新车磨合效果甚佳。

纳米金刚石发动机油对发动机摩擦副进行极佳的光整加工, 从而使发动机达到节能减排减震降噪之奇特功效, 降低大气污染尤其显著[7]。关于纳米金刚石润滑油的某些特性, 可参考工作[8-10]。

3 结论

随着科技和工业的快速发展, 对表面粗糙度的要求越来越高, 并且要求表面性能越来越好。使用纳米金刚石进行光整加工, 可使表面粗糙度达到纳米级。它对碳化硅、金属摩擦副和发动机可进行高效的比较理想的光整加工, 尤其对发动机的光整加工是其它方法无法比拟的。

摘要：文章介绍了金刚石用于光整加工的良好效果, 着重阐述纳米金刚石用于碳化硅晶体、金属摩擦副以及发动机的光整加工, 尤其是对发动机的光整加工是其它方法无法比拟的。

关键词：纳米金刚石,光整加工,综述

参考文献

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[7]张书达, 季德钢, 李华.超分散金刚石改性发动机油对降低大气污染的重大作用[A].姚建铨.2004世界工程师大会中国天津论文专集[C].天津:天津科学技术出版社, 2004.362-364.

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发动机零部件的光整加工篇5

发动机是各种汽车、工程机械、农机等的主要动力源, 不断提高发动机整机性能的研究与实践是一个永恒的主题。其中, 发动机摩擦副零件的表面质量, 是影响发动机整机性能的重要因素之一。在传统制造水平相对较低的情况下, 大量生产的摩擦副零件的一些技术要求如去毛刺、棱边倒圆等形同虚设, 对表面加工纹理、表面物理力学、化学、光学性能、表面层组织等缺乏认识和实现手段, 改善发动机整机性能的研究集中表现在改进发动机局部结构及改变工作过程的控制方面。随着特种制造工艺的不断发展, 特别是旨在提高工件表面质量的各种加工方法、加工技术——光整加工技术在长期的实践应用中已得到证实。针对发动机摩擦副零件的具体结构和表面特性要求, 在原制造工艺的基础上全面推广应用光整加工工艺, 对改善发动机整机性能, 实现降低噪声、减少油耗及改善机油清洁度等十分有效。

光整加工分类及特点

光整加工按主要功能可分为:以降低工件表面粗糙度值为主要目的的光整加工;以改善工件表面物理力学性能为主要目的的光整加工;以去除毛刺飞边、棱边倒圆等为主要目的的光整加工。

进行光整加工主要是为了提高零件的表面质量。它具有以下特点:

(1) 光整加工的加工余量小, 原则上只是前道精磨工序公差带宽度的几分之一。一般情况下, 只能改善表面质量 (减小表面粗糙度值, 消除划痕、裂纹和毛刺等) , 不影响加工精度;可将表面粗糙度等级提高一级左右。在不改变产品原有尺寸及配合精度的前提下, 彻底去除产品表面的毛刺、飞边、棱边倒圆、锐边钝化等。

(2) 光整加工所用机床设备不需要很精确的成形运动, 但磨具与工件之间的相对运动应尽量复杂。

(3) 光整加工时, 磨具相对于工件的定位基准没有确定的位置, 一般不能修正加工表面的形状和位置误差, 其精度要靠前道精磨工序来保证。

(4) 改善工件表面层应力状态, 形成抗疲劳破坏的均匀压应力值 (一般比原值增大50%以上) 。

(5) 改善工件表面层金相组织状态, 提高表面显微硬度 (提高6%~20%) , 形成一定深度的耐磨损、抗疲劳的致密金属层, 深度一般提高四倍以上。

(6) 提高工件清洁度, 完成传动件的初期磨损, 改善整机部分性能指标, 缩短整机磨合期40%以上。

(7) 降低加工成本, 减轻工人劳动强度, 提高生产效率, 无污染, 便于机械化和自动化生产。

发动机零部件的光整加工

曲轴、凸轮轴摩擦副零件的表面质量是影响发动机整机性能的重要因素之一。由于曲轴等产品工作时需承受较大而复杂的冲击载荷, 对疲劳强度有较高要求, 对产品的轴颈表面粗糙度要求较严格, 因此必须进行光整加工或超精研磨才能满足这些要求 (见图1) 。

1. 光整加工的选用原则

光整加工主要是根据被加工零件的结构形状、尺寸大小及光整要求选择或确定设备形式、设备规格、工艺用料、工艺参数等内容。由于公司主要生产长度在1585m m、回转半径在200m m以下的曲轴、凸轮轴产品, 曲轴材料选用中碳合金钢, 凸轮轴材料选用高碳钢, 因此通过与光整机厂家的沟通, 选择了W1600卧式自由磨具光整设备 (见图2) 。

2. 卧式光整机的工作原理

工件 (如曲轴或凸轮轴) 水平放置在主轴和顶尖 (标准莫氏5号固定顶尖) 之间, 由升降机构带动, 插入料箱磨料中, 主轴带动产品旋转 (见图3) 。料箱带动磨料、磨液 (水溶液) 作线性往复运动, 从而使磨料与产品表面产生挤压、划擦等, 实现对产品的微切削高效加工。而且通过回转和往复运动不同的速度配比, 使不同形状的产品获得最佳的光整效果。

3. 光整加工的前期准备

(1) 从光整加工的特点“在不改变产品原有尺寸及配合精度的前提下, 彻底去除产品表面的毛刺、飞边、棱边倒圆、锐边钝化等”可知, 在光整加工前的精磨工序, 必须保证产品的尺寸精度、加工表面的形状和位置精度达到最终图样的要求。

(2) 从光整加工的特点“提高表面粗糙度等级一级左右”可知, 在光整加工前的精磨工序, 必须保证产品的表面粗糙度等级只能比最终图样的表面粗糙度值要求低一级。如:对于一种图样表面粗糙度值要求为Ra=0.089μm、材质为高碳钢的凸轮轴, 在精磨工序, 应在保证产品不出现磨削裂纹及烧伤的前提条件下, 保证表面粗糙度值达到Ra=0.13~0.15μm左右最好, 这样不但能在光整时保证产品的表面粗糙度要求, 而且能提高光整的效率。

(3) 所有要光整加工的产品在光整前必须要进行清洗。最好采用超声波清洗, 保证产品表面清洁, 尤其是表面不能存留油类 (机油、煤油等) 物质。油类物质会在磨液、磨料微粉及金属屑的混合作用下形成油腻, 附着在磨料、工件的表面, 污染工件及磨料, 破坏磨液清洗上光的作用, 严重降低光整加工的效率, 因此光整前产品的清洗非常重要。

4. 附属设施、材料及工装

(1) 须有超声波清洗机。

(2) 须有循环水处理设施水在光整加工的过程中起到重要作用, 体现在几个方面:一是在光整加工中被磨削下来的金属毛刺、工件上的附着物及磨料自磨脱落的微粉等物质, 都是由水将其带走;二是作为载体使磨液在产品表面发生作用, 达到“上光”、“防锈”、“清洗”的目的;三是降低磨料与产品之间的刻划和摩擦力度, 避免划伤产品表面所造成的产品表面质量下降。

(3) 须有污水处理系统污水处理主要有两种方式, 一是利用磁辊吸附光整下来的金属微粒;二是利用无纺布过滤其他微粒物质。

(4) 磨料的选择磨料由一种具有黏弹性、柔软性和切割性的半固态载体和一定量磨砂拌合而成。不同载体的黏度、磨砂种类、磨粒大小, 可以产生不同的效果。常用磨料类型有碳化硅、立方氮化硼、氧化铝和金刚砂等。应根据光整设备的种类、需光整的产品情况及所要求达到的效果选择磨料的规格及型号。根据所选的W1600卧式自由磨具光整设备, 高碳钢材质的凸轮轴成品表面粗糙度值Ra=0.089μm的要求, 通过与光整设备制造厂的多次沟通, 选择了磨料直径为3m m的微粉棕刚玉球形磨料, 通过光整加工后的检测, 表面粗糙度值可达到Ra=0.07μm左右, 可保证凸轮轴产品图样的要求。

选择磨料必须注意:所选磨料的直径不应与产品上孔的尺寸太接近, 以免光整时孔被堵塞, 难以清理。如果实在不能避免, 可将合适的开口销插入孔中以便于清理。如:有一种凸轮轴, 在径向有一个直径为3.2m m孔, 由于受磨料规格的限制, 不得不选用直径为3m m的微粉棕刚玉球形磨料, 为此, 选择了插入开口销的方法。必须按照光整设备使用手册的要求加足磨料, W1600卧式光整设备要求一次装入磨料高度距料箱口100mm左右。

(5) 研磨液的选择通过对研磨液H Y F和D X—148的比较, 发现研磨液H Y F存在易发臭的缺点, 因此目前选用的研磨液是D X—148多效切削液。

该研磨液具有良好的润滑、冷却、防锈、清洗等功能, 优于常用的皂化油、苏打水, 具有以下特点:一是该型号的研磨液特别适用于曲轴、凸轮轴的加工, 使用浓度为5%~8%;二是可免除工序间防锈5~7天;三是延长刀具的使用寿命, 降低产品的表面粗糙度值;四是可在 (300~500) ×10-5的硬水地区使用;五是显著降低切削区域温度100℃以上;六是操作方便、使用安全、液体透明, 易于观察产品;七是由于不含矿物油、低污染等, 完全符合G B3551-1983工业废水排放标准。

(6) 对工装的要求W1600卧式光整设备提供的联接形式为两顶, 可根据产品的连接端情况配置工装。

5. 光整加工的后期处理

(1) 磨料的分选分选方法有手工筛选、机械筛选、振动筛选、手工电磁分选和传送带式磁力分选等。根据公司的实际状况, 选用机械筛选实现对磨料的分选。

(2) 及时更换或净化循环水更换周期根据所加工产品的材质、加工产品的数量、加工产品的原有表面质量等而定。换水时应同时加入新的磨削液;当出现以下特征时需换水:光整产品的表面质量开始下降或水的颜色发黑并且光整后的水中无白色泡沫。

(3) 磨料与工件的清洗由于磨料微粉与工件的金属微粉混合作用会形成油腻, 附着在磨料及工件的表面, 污染工件及磨料, 因此在光整加工后工件应及时进行清洗, 磨料应根据实际情况进行定期清洗。

(4) 脱水防锈经工艺试验发现, 工件经光整加工后表面光洁铮亮, 其表层的活跃金属分子赤裸暴露在空气中会很快氧化变黑, 易生锈, 因此工件的脱水防锈是非常必要的。

6. 光整加工与超精研的对比

(1) 光整加工的设备通用性较好, 如W1600光整设备不但可以用于曲轴的光整加工, 而且也可以用于凸轮轴的光整加工;而一种规格的超精研设备只能精研一种规格的曲轴或凸轮轴, 专用性较强。

(2) 光整加工的磨料通用性较好, 如直径为3m m的微粉棕刚玉球形磨料, 不但可以用于曲轴的光整加工, 而且也可以用于凸轮轴的光整加工。

(3) 光整加工单道工序的成本费用相对较低, 由于光整加工所用磨料破损后可采用筛选、清洗的方法重复使用, 因此磨料的使用成本较低;超精研设备使用的是进口花边砂带, 只能根据产品的具体尺寸决定进口花边砂带的尺寸规格, 并且只能使用一次, 因而使用成本较高。

(4) 光整加工前后需有清洗、防锈工序, 因此增加了产品的流程。

(5) 光整加工的效率不如超精研高, 只有超精研加工的1/3左右。

结语

光整加工和超精研加工都能使曲轴和凸轮轴轴颈表面获得较小的表面粗糙度值和表面压应力, 提高曲轴和凸轮轴的抗疲劳能力, 可根据现有设备条件、产品的精度及表面质量要求、生产成本等选择合适的加工方法, 以满足顾客的要求。建议在多品种、小批量的生产模式下, 优先选用光整加工技术实现发动机零部件曲轴、凸轮轴的加工。

光整技术论文篇6

在机械制造业中,模具工业被称之为“工业之母”,机械行业中70% 以上零部件的加工与模具相关[1,2,3]。为了延长模具的使用寿命,提高其耐磨、耐疲劳性能,往往需要对模具表面进行激光强化处理[4],但同时其硬度、耐磨性能的提高也增加了激光强化模具在光整加工阶段的难度,因此,提高高硬度、高耐磨模具在光整加工阶段的效率具有极其重要的现实意义。

对此,浙江工业大学计时鸣教授等人[5,6]提出了一种软固结磨粒气压砂轮( Soft-consolidation abrasives pneumatic wheel) 加工新方法。

为了解决这种软固结磨粒气压砂轮在光整中气压砂轮常出现高频小幅振动的现象,以及进一步提高该方法对激光强化模具光整的效率,本研究借助ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,进行针对芳纶浆粕增强气压砂轮基体后气压砂轮的模态以及光整中的接触应力分布特性分析,并对Cr12 激光强化曲面模具进行光整加工试验。

1气压砂轮光整技术

软固结磨粒气压砂轮光整加工方法利用高强力粘结剂在柔性气压砂轮表面聚集形成磨粒层,使每颗磨粒受力后又可局部微动,通过影响周边磨粒群的受力状况而发生群体效应,达到软性条件下的应力集中,以实现高效切削的目的。

软固结磨粒气压砂轮主要是由丁苯橡胶( SBR) 构成的空心半球与磨粒层组成,克服了现有气囊抛光中采用游离态磨粒切削能力弱的缺点,其表面的柔性可以通过空心半球内部气压实时在线控制,并可方便地与机器人配合使用[7]。

软固结磨粒气压砂轮光整系统与气压砂轮结构如图1 所示。

研究软固结磨粒气压砂轮光整加工中被加工材料的材料去除量与加工工艺参数之间关系时,通常采用的是Preston方程,但针对特定加工环境下的关键因素,学者们对该方程式进行了很多的修正[8,9]。根据前期研究,得出了应用于软固结磨粒气压砂轮的材料去除Preston方程[10]:

式中: MR—被加工工件的材料去除率,K1—被加工工件硬度系数,K2—磨粒硬度系数,K3—磨粒粒径系数,N—参与工作的有效磨粒数,P—气压砂轮接触压力,υ—磨粒的切削速率。

对于表面激光强化模具而言,由于强化区的硬度和耐磨性均有大幅度提高,其抛光难度也随之有所增加。

根据式( 1) 可知,通过改变磨粒硬度和粒径、压力P以及切削速率V可以用来改变材料去除量。其中,压力P由气压砂轮基体通过粘结剂间接为磨粒供力,通过浆粕增强后的气压砂轮基体能够提高压力P的值。

2复合气压砂轮的仿真分析

2. 1 仿真参数与模型

添加不同含量芳纶浆粕后,气压砂轮基体的弹性模量由国标GB/T528-2005 中规定的实验方法得到。拉伸试样为哑铃状结构,试验环境温度为23 ℃,拉伸速率为500 mm/min,每种试样拉伸3 次。

添加不同芳纶浆粕的复合气压砂轮基体应力-应变关系曲线如图2 所示。

如图2( a ~ d) 所示的曲线依次表示: 未添加、添加2. 5% 、添加3. 3% 和添加5% 芳纶浆粕短纤维的气压砂轮基体材料的轴向应力-应变关系曲线; 在图中分别标识了数据拾取起点与拾取终点,可知两点间的曲线近似为直线,求得两点之间的斜率即为试样的弹性模量,取平均值得到的数值结果如表1 所示。

由表1 可知,气压砂轮基体的弹性模量随着芳纶浆粕的增加而增加。另外,工件的弹性模量为2. 1 ×106MPa,泊松比为0. 3,气压砂轮的泊松比 μ 可由混合率公式求得[11],具体数值见表1。

气压砂轮光整加工有限元模型主要由气压砂轮和工件组成,所用的单元类型均为Solid185 六面体单元,由于橡胶材料的模量小,变形相对较大,变形过程比较复杂,在网格划分时需要利用较小的网格尺寸来保证大变形下的精度,但是过小的网格尺寸会导致求解时间的大幅增加,这里控制气压砂轮的网格尺寸为0.001。

由于模具的弹性模量远大于气压砂轮,故在此可以将其视为刚体,网格可以较为粗大,亦不会影响求解精度,这里控制网格的尺寸为0. 002。

2. 2 模态分析

本研究对气压砂轮的上部边界全部约束,用Black Lanczos法求解,最终可以得到4 种气压砂轮各阶振型的频率,气压砂轮基体的基频与纤维含量的关系如图3 所示。

由图3 可知:4 种气压砂轮第一阶模态和第二阶模态为均对称模态,具有相同的频率,振型对称,振动方式和最大振幅发生的位置也基本相同,基频下气压砂轮的振型如图4 所示。

其次,由于芳纶浆粕短纤维的增强作用,使得气压砂轮基体的固有频率得到了显著的提高。如添加5%芳纶浆粕的气压砂轮,前六阶固有频率分布在370 Hz ~710 Hz之间,显著高于未添加芳纶浆粕的气压砂轮的固有频率。其中,第一阶模态的基频从145. 71 Hz提高至373. 79 Hz,升幅达到156. 5%。

因此,提高基频能有效地提高气压砂轮的抗振性。另外,对于其他高阶的振型,由于篇幅所限,本研究在此不作分析。

2. 3 气压砂轮光整中的接触应力仿真分析

为了研究气压砂轮光整中的接触应力分布特性,先建立接触对,这里采用单面接触类型,其次设置气压砂轮沿z轴负方向对工件进行进给,进给速率为5 mm / s,转速为1 200 rpm,气压砂轮下压量为2 mm,进动角20°,充气压力为50 kPa。

通过提取砂轮接触表面区域中沿x轴方向的应力值,可以得到接触区域的应力-位置关系曲线,如图5 所示。

由图5( a ~ d) 可知: 气压砂轮的整体接触应力随着气压砂轮中芳纶浆粕含量的增加而增加,但是由于气压砂轮的进给运动,导致其受力出现不对称的现象,左侧峰值大于右侧峰值,并且中间位置的应力值明显小于两侧的应力值,呈M型分布,如图5( a) 所示的未添加短纤维的应力分布尤为明显。但是随着短纤维含量的增加,气压砂轮这一现象逐渐改变,0 刻度处的应力值逐渐增大,如图5( b ~ d) 所示。当短纤维含量继续增加时,如图5( d) 所示,气压砂轮的接触应力区较为集中,即两峰值较为接近,导致气压砂轮局部工作区域的受力出现较大,仿形接触区域减小,对于曲面模具的光整加工较为不利。

由此可见,并不能盲目增加短纤维的含量,而是要适当控制其含量,使气压砂轮绝大多数区域的受力比较均匀。因此,由上述分析结果可知,添加3. 3% 芳纶浆粕的3 号气压砂轮的接触应力分布相对比较均匀,建议选用添加这一比例芳纶浆粕的气压砂轮。

3光整试验

芳纶浆粕增强气压砂轮的对比试验目的主要是为了分析短纤维在基体中的质量分数由0% 依次递增至5% 后对抛光效果的影响。

试验所用模具的材质为Cr12,激光强化后维氏硬度为835 HV,初始表面粗糙度Ra为0. 65 ±0. 02 μm,SiC磨粒的目数为80 目,气压砂轮硬度为40 HA,充气压力为0. 05 MPa,下压量为2 mm,进动角为20°,转速为1 200 r/min。

在加工120 s后对模具表面进行测量并取平均值,得到的试验结果如表2 所示。

由表2 中40 HA试验组的材料去除率值可知,材料的去除率并非随着芳纶浆粕在基体中质量百分数的增加而增加,例如当添加2. 5% 的芳纶浆粕后,材料的去除率为1. 05 mg/min,略小于未添加的1. 16 mg/min,这是因为添加2. 5%的芳纶浆粕后气压砂轮的接触仿形能力变小,接触面积减小,而接触力未有大幅度地提高,导致出现材料去除率反而减小的特殊现象。当添加的比例增加后,接触面积变化的幅度很小,但是接触力却大大提高,最终导致材料的去除率又重新增大,并远超过1. 16 mg/min,达到1. 67 mg/min,材料去除效果较为显著,由此验证了复合气压砂轮光整的高效性。

利用显微成像系统得到的模具光整前、后的表面形貌如图6 所示。

通过对上述试验组的对比可以得出结论: 针对表面激光强化处理的高硬度Cr12 模具,通过添加质量百分数超过3. 3% 的芳纶浆粕短纤维后,可以获得较高的光整效率,与仿真结果中的接触应力特性相验证,其中材料去除率可以提高50% 以上,但是对于模具表面粗糙度不会产生较大的影响。

4结束语

为解决利用气压砂轮激光强化模具过程中,由于高频小幅振动及长时间交变应力作用引起气压砂轮基体产生细微裂纹的问题。通过有限元仿真软件,本研究对芳纶浆粕增强复合气压砂轮的模态与光整中的接触区域应力分布特性的数值进行了分析,验证了通过添加短纤维方法改善气压砂轮抗振性与接触应力分布均匀性的可行性; 并且得出结论: 当添加质量分数为3. 3% 的芳纶浆粕时,可以兼顾复合气压砂轮仿形接触能力与应力分布的均匀性。

最后,通过光整加工试验的对比,本研究验证了复合气压砂轮对高硬度模具具有高效光整的可行性,能够较好地满足激光强化曲面模具的光整加工。

摘要：为了提高气压砂轮针对激光强化模具的光整效率,解决加工过程中高频小幅振动及长时间交变应力作用引起的气压砂轮基体产生细微裂纹的问题,设计了芳纶浆粕(PPTA-pulp)增强丁苯橡胶的复合气压砂轮基体。通过对标准试样的轴向拉伸试验,得到了复合气压砂轮基体的应力—应变关系和弹性模量,利用ANSYS/LS—DYNA有限元仿真软件对复合气压砂轮的模态与应力分布特性进行了数值仿真,得到了各阶模态的频率与接触应力分布曲线;通过激光强化Cr12模具的光整加工试验,验证了仿真的正确性。研究结果表明,随着芳纶浆粕含量的增加,复合气压砂轮各阶频率得到了显著提高,且应力分布均匀性变好,提升了对高硬度、高耐磨性模具的高效加工能力;当添加3.3%的芳纶浆粕时,兼顾了仿形接触能力和应力分布的均匀性,因而能较好地满足激光强化曲面模具的光整加工。

光整技术论文篇7

机械零部件的表面质量对其使用性能有显著的影响,对一些在高温、高压、高速或腐蚀环境下长期工作的零件,既要求有较高的尺寸精度,又有较好的表面质量,对这类零件的精加工,目前常采用的加工方法有超精磨削、珩磨或研磨、机械抛光和电抛光等。但实践证明这些加工方法,要么满足了加工质量的要求,但效率太低,不能满足批量生产的要求,要么在进行提高表面质量的同时,由于零件材料自身的特点,而产生不同程度的表面烧蚀现象。鉴于此,笔者利用电化学复合光整加工的方法,进行实验研究,取得较好的效果。

1 基本原理

电化学机械复合光整加工是电化学加工和机械刮削作用相结合的复合加工技术,其加工的基本原理是以电化学溶解为基础,靠电化学作用除去零件表面的金属,而利用机械作用除去零件表面的在电化学反应中产生的钝化膜,从而加速表面金属的去除。

复合光整加工与普通机械珩磨之间最明显的区别是增加了直流电解系统。其结构原理示意图如图1所示,工件、电解液、电极、电源构成电流通路,形成一个电化学作用体系。加工过程时,工件接电源的阳极并绕轴线回转,工件一侧设有阴极,阴极与工件之间保持一定的间隙,其间通以适当的电解液,机械珩磨工具头上的磨条以一定的压力与工件相接触。当接通直流电源后,在一定的电流密度下,工件表面发生阳极溶解并逐渐形成钝化膜,这种钝化膜阻碍了阳极的继续溶解,称为钝化作用。而机械珩磨就起到了刮除氧化膜的作用,与电解加工的区别是,表面氧化膜的去除不是靠活性离子或强力冲刷,而是通过专门设计的机械工具头的刮除作用实现的。

因工件表面上留有机械切削加工造成的尖峰状突起,当工件与工具接通电源以后,使微观电场分布成非均匀性,尖端处电场最强,又由于尖端处与工件的距离最近,所以更加剧了电场分布得不均匀性,这使得尖端处电流密度较大,根据电解加工理论,电解过程中溶解速度与电流密度成正比,所以尖端处电化学反应速度较快,金属溶解速度也较快。在凹谷处,电化学反应速度则相对较慢,所以溶解也就相对较慢,这就使得在工件的整个表面上,溶解速度呈现出不均匀性,尖端处的氧化膜很快被机械复合珩磨工具头(以下简称工具头)刮除,从而使高点处得到活化,高点处从而露出新的金属表面继续受到电化学溶解、成膜、刮除的作用,使得该部位的材料被不断的去除,而表面的微观低点或凹陷部位则由于电解溶解的缓慢和氧化膜不能被及时刮除而受到保护,这一过程的连续进行,使得工件的表面得以迅速整平。如图2所示。

2 加工装置设计

若工件为轴类零件,光整加工设备可采用夹心式机械复合光整工具头如图3所示。整个装置主要由机床、直流电源、工作液循环系统和计算机控制系统等四部分组成。

为降低成本,增加实用性,机床由一台精密CM6140×1500车床进行数控改造而成,进给运动由反应式步进电机驱动,以电化学机械复合工具头(带有测力装置和数显表)取代小刀架,将原主轴改造为带有集流装置、与床身绝缘隔离的复式主轴。主轴正反转、液体泵、直流电源的启动和停止,以及工具头运动、转向等均由计算机控制,整个过程实现自动化加工。

2.1 机床改造

将夹心式电化学机械光整工具头取代小刀架,安装于小拖板上,它可同时完成电化学作用和机械珩磨作用。

工作中,绕轴线回转的工件接直流电源正极,复合工具头上的阴极与直流电源负极相接,通电后,两者之间形成一电化学反应区,调节直流电源输出电压可以控制阴极工作表面的平均电流密度,进而控制电化学反应速度。阴极用黄铜制造,上面开有电解液喷孔,通过电解液喷孔将钝性电解液喷入加工区,从加工区出来的电解液流入水槽,经沉淀过滤后,循环使用。阴极上下两边是镶有用于机械珩磨的软磨条,它由高温氧化铝(Al2O3)或碳化硅(SiC)磨料使用陶瓷结合剂经高温烧结而成。磨条硬度较低,使其略带弹性,易于使磨条与工件接触均匀,另外结合剂的粘度较低,磨粒易于脱落,磨条自锐性能好。光整加工时,在弹簧力的作用下,软磨条以适当的压力压在工件表面上,作用力大小的监测是由弹性元件、位移传感器、数显表等组成的测力系统完成的。

为避免工作过程中整机带电,以自行研制的复式主轴取代原机床主轴,实现了带电工件与床身的绝缘隔离。加工过程中,车床主轴上的拨盘带动工件做匀速回转运动,通过集流装置使工件与直流电源正极相连。

为操作简便,提高加工效率,将进给运动改为步进电机驱动,以便于计算机控制。综合考虑性价比,决定采用带有齿轮减速器的反应式步进电机,减速器输出轴与丝杠间采用联轴器连接。

2.2 直流电源

直流电源的作用是为电化学反应提供电能,目前一般采用硅整流设备,因为性能非常可靠安全。考虑到工件材质不同、电化学工作液不同,所需的工作电压也不同,电源输出电压设定在0~24V范围内连续可调。考虑到工件批量或大批量生产,为保证直流电源能够长时间、高负荷连续运行,采取了循环水连续冷却方式。

2.3 工作液及循环系统

电化学工作液成分、质量、份数决定了电化学溶解速度及钝化膜的厚度、强度、形成速度等,为保证只有工件表面微观高点处的金属发生电化学溶解,微观低点处的金属受到钝化膜保护,在阳极电化学溶解的同时,必须快速形成钝化膜。经大量的实验研究,确定电化学工作液采用以NaNO3为主、添加少量致钝剂的钝性工作液,获得了令人满意的加工质量和加工效率,同时也防止了工作液对于加工设备的腐蚀。应用于45#优质碳素结构钢的电化学工作液配比关系质量百分比为:NaNO3:18%、NaNO2:2%、H2O:80%。

工作液循环系统由耐蚀泵、节流元件、水槽、防溅罩等组成。耐蚀泵提供电化学工作液循环动力,其额定流量和扬程根据工具头尺寸而定。节流元件用于调节工作液压力、流量,以满足不同情况的需要。水槽有沉淀槽和储存槽两部分组成,两槽互通,中间用过滤网隔开,由加工区域流回的工作液首先流入沉淀槽,Fe(OH)3在此沉淀分离,工作液流入储存槽,供循环使用。防溅罩用在加工区域,防止工作液因工件旋转而四处飞溅。

2.4 计算机控制系统

主轴正反转,液体泵、直流电源的启动和停止,以及整个加工过程中的工具头运动速度、位置、转向等均由计算机统一控制,本系统选用南京江南机床数控工程公司生产的JN~15T型控制系统,该系统控制功能强,有两路用于步进电机的脉冲输出,一路用于电动刀架的控制,以及用于各类电器启停的开关量输出。JN~15T型控制系统自身带有功率放大器,可以直接驱动步进电机,但开关量输出仅为24V直流脉冲信号,需要通过继电器、交流接触器等完成各类电器的控制,使整个加工过程实现了自动化加工。

3 实验研究与分析

运用本文设计的电化学机械光整加工设备对用4 5#钢制成的活塞杆进行了光整加工,利用TALYSURF-6型轮廓仪对其表面微观几何形貌进行了详细检测,并对检测结果进行了深入地分析研究。

3.1 活塞杆实验检测条件

工件材质为45#优质碳素结构钢,加工电流密度为5A/cm2,阳极与阴极间的间距为0.8mm,珩磨条粒度为W14,原始表面为精磨加工表面。表面粗糙度截取长度l=0.25,评定长度为5l。表面波纹度截取长度l=2.5,评定长度为5l。精磨表面和电化学机械光整加工表面轮廓图4所示,水平方向放大倍数为×100,铅锤方向放大倍数为×3000。全部垂直于加工痕迹方向测量。

3.2 表面微观不平度高度特征

经多个试件的反复测量表明,表面微观不平度高度特性参数较稳定,通过对检测结果(见表1)分析,电化学机械光整表面轮廓算术平均值Ra仅为精磨的20%,轮廓最大高度Ry为精磨的23%,代表轮廓高度的特征值轮廓均方根偏差Rp仅为精磨的5%左右,比轮廓最大高度Ry更精确的反应轮廓高度变化的轮廓平均高度Rrm为精磨的18%左右。实验结果表明电化学机械光整加工可获得较好的表面质量。

4 结论

电化学机械光整加工可以大幅度消除表面低周期波动,使表面轮廓高度分布范围缩小,电化学机械光整表面的波纹度远小于精磨表面。而本文研制的夹心式电化学机械光整加工装置结构紧凑、易于操作。采用复式主轴,实现了带正电的工件与机床的可靠绝缘,电解液流量可调,可迅速带走电化学产物,加速电化学反应,同时通过选定磨粒粒度和珩磨压力对机械珩磨力进行调节,控制表面轮廓高度分布。实验证明,当机械珩磨使用粒度为W3的精密软磨条时,可以得到的超精表面。

参考文献

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